Системы ориентации фотоэлектрических батарей космических аппаратов

7  Системы ориентации ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

7.1  Описание классификационных признаков

Система ориентации солнечной батареи (СОСБ) предназначена для приведения плоскости солнечной батареи по нормали к солнечному излучению либо для максимального снижения угла падения солнечного излучения. Все СОСБ (рис. 7.1) можно разделить таким образом:

-  автономные, которые представляют собой разомкнутую или замкнутую систему автоматического регулирования, состоящую из датчика Солнца, блока управления и исполнительного механизма — блока привода, механически связанного с СБ;

-  неавтономные, которые отличаются от автономных тем, что у них отсутствуют датчики Солнца, а движение привода СБ осуществляется по разовым командам: «вперед», «назад», «стоп» или по более сложной программе, вырабатываемой системой управления ориентации СБ или бортовой вычислительной машиной КА.

По числу степеней свободы вращения СБ СОСБ делятся на: одноосные и двухосные.

Наиболее эффективное использование СБ обеспечивает двухосная СОСБ, но она сложна в конструктивном исполнении. Поэтому двухосную СОСБ, как правило, применяют только на высокоманевренных ИСЗ, на спутниках, предназначенных для исследования природных ресурсов Земли, метеорологических спутниках и спутниках связи применяют одноосные СОСБ, причем вращение СБ осуществляется по углу рыскания или углу тангажа в зависимости от орбиты КА.

По способам слежения за Солнцем СОСБ делятся на:

-  системы непрерывного слежения;

-  системы дискретного слежения, к которым относятся также СОСБ, осуществляющие ориентацию СБ по направлению на Солнце способом перекладки батарей в заданные положения.

СОСБ непрерывного слежения за Солнцем работают в режиме непрерывного поворота СБ, что обеспечивает лучший коэффициент ее использования и меньшие возмущения, воздействующие на корпус КА в процессе движения. Дискретная ориентация СБ обеспечивает меньшее собственное потребление энергии и не требует введения в контур управления обратной связи по положению выходного вала СБ, если датчик Солнца установлен на самой СБ.

По типу электрической связи между СБ и корпусом КА приводы СОСБ бывают:

-  с кольцевым токосъемником;

-  с кабельным барабаном (или улиткой), которые после каждого витка требуют разворота привода СБ для раскрутки кабеля.

По типу компенсации СОСБ бывают с компенсацией кинетического момента, воздействующего на корпус КА при слежении за Солнцем, и без нее.

Рис. 7.1 Структурная схема классификации СОСБ

К системам ориентации СБ предъявляются высокие динамические требования, так как при их работе появляются моменты сил, действующие на корпус КА. Под действием этих моментов ориентация и стабилизация КА в пространстве могут быть нарушены, если стабилизирующие моменты, создаваемые системой ориентации КА, окажутся недостаточными. Возмущающие моменты при работе СОСБ проявляются в наибольшей степени на КА, где моменты инерции СБ относительно оси вращения равны или превосходят моменты инерции корпуса КА, а также в случаях, когда скорость перемещения СБ значительно выше скорости изменения положения Солнца.

Прецизионные системы ориентации СБ предназначены для использования в составе КА с высокоточной постоянной ориентацией. На долговременных орбитальных станциях СОСБ должны быть устойчивы и прочны при воздействии больших изгибающих моментов и осевых усилий, возникающих при стыковках и маневрах КА.

7.2  Требования к системам ориентации солнечных батарей

7.2.1  Общие требования к системам ориентации солнечных батарей

ИСЗ можно условно разделить на две категории. К первой относятся спутники, не требующие точной ориентации, а ко второй - ИСЗ с аппаратурой наблюдения, требующие постоянной либо периодической высокоточной ориентации. Если для спутников, требующих периодической высокоточной ориентации, можно допустить на период работы научной аппаратуры остановку БФ, то для категории ИСЗ, требующих постоянной высокоточной ориентации, при разработке СОСБ следует предъявлять очень жесткие требования по ограничению возмущающих воздействий.

При развороте БФ с моментом инерции I_сб и ускорением относительно корпуса w_сб возникает момент, действующий на корпус в направлении, противоположном направлению разворота СБ:

За время разгона БФ достигает угловой скорости w_сб, а корпус КА под действием реактивного момента (7.6) разгоняется с угловым ускорением

где I_k- момент инерции корпуса КА относительно оси вращения БФ.

Для многих КА моменты инерции БФ равны или даже превышают моменты инерции корпуса, а относительная скорость БФ соизмерима со скоростью вращения КА по орбите. Поэтому скорость возмущенного движения корпуса КА может достигать недопустимо большой величины. Исключение составляют долговременные орбитальные станции и некоторые другие большие КА, у которых I_сб << I_КА.

Так как возможности системы ориентации по величине и частоте изменения создаваемых ею моментов определяются ее массой и энергопотреблением, то существует диапазон частот, в котором она уже не может парировать возмущающие моменты, поэтому к СОСБ предъявляются требования по ограничению возмущающих воздействий в этом диапазоне частот. Указанные требования могут обеспечить только прецизионные СОСБ.